По больницам и врачебным кабинетам расходится поразительная перемена. Многолетний эталон ультразвуковой диагностики — аппарат, который катают на тележке, с болтающимися кабелями и набором датчиков, — окончательно отодвигают в сторону. На смену приходят ручные зонды, передающие изображение прямо на телефон.
Источник изображения — spectrum.ieee.org
Эти устройства достаточно компактны, чтобы поместиться в карман халата, и достаточно универсальны, чтобы обследовать любую часть тела — от глубоко расположенных органов до поверхностных вен, с построением объёмных срезов, и всё это одним датчиком. А сопровождающие их алгоритмы искусственного интеллекта вскоре могут сделать такие приборы пригодными для специалистов без профильной подготовки в любых условиях, а не только для обученных сонографов в клинике.
Первый подобный миниатюрный ручной зонд вышел на рынок в 2018 году — его выпустила компания Butterfly Network из Берлингтона, штат Массачусетс. Позже конкурирующую версию представила Exo Imaging из Санта-Клары.
Возможным это сделала кремниевая ультразвуковая технология, построенная на разновидности микроэлектромеханических систем (МЭМС), которая умещает от 4000 до 9000 преобразователей — элементов, превращающих электрический сигнал в звуковую волну и обратно, — на кристалле размером 2 × 3 сантиметра. Объединив МЭМС-преобразователи со сложной электроникой на одном чипе, такие сканеры не только воспроизводят качество традиционной визуализации и объёмных измерений, но и открывают применения, невозможные прежде.
Как вообще работает ультразвук
Чтобы понять, каким образом удалось добиться этого результата, полезно разобраться в основах. Ультразвуковой датчик использует преобразователи, чтобы превратить электрическую энергию в звуковые волны, проникающие в тело. Волны отражаются от мягких тканей и возвращаются эхом к датчику. Преобразователь конвертирует отражённый звук обратно в электрические сигналы, а компьютер превращает данные в изображение на экране.
Обычные датчики содержат матрицы преобразователей из пластин пьезоэлектрических кристаллов или керамики — например, цирконата-титаната свинца (ЦТС). Под импульсами электричества эти пластины расширяются и сжимаются, порождая высокочастотные ультразвуковые волны, гуляющие внутри них.
Исторически ультразвуковая диагностика требовала громоздкого оборудования с набором датчиков. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Чтобы волны приносили пользу для визуализации, им нужно выйти из пластины в мягкие ткани и жидкости организма. Задача нетривиальная. Уловить эхо этих волн — примерно как стоять у бассейна и пытаться расслышать человека, говорящего под водой. Поэтому матрицы собирают из слоёв материала с плавным переходом жёсткости: от твёрдого пьезокристалла в центре датчика к мягким тканям тела.
Частота передаваемой в тело энергии определяется главным образом толщиной пьезослоя. Более тонкий слой отдаёт более высокие частоты, позволяющие различать мелкие детали с высоким разрешением, — но только на малой глубине. Низкие частоты от более толстого материала проходят глубже, но дают худшее разрешение.
Как следствие, для обследования разных частей тела нужны датчики нескольких типов с частотами от 1 до 10 мегагерц. Для крупных органов в глубине тела или для плода в утробе используют датчик на 1–2 МГц: он даёт разрешение 2–3 миллиметра и достаёт на глубину до 30 см. Для оценки кровотока в артериях шеи обычно берут датчик на 8–10 МГц.
Что изменили МЭМС
Необходимость в нескольких датчиках вкупе с отсутствием миниатюризации и приводила к тому, что классическая ультразвуковая система жила в тяжёлом ящике на тележке. Появление МЭМС это изменило.
За последние три десятилетия эта технология позволила производителям в самых разных отраслях создавать точные и исключительно чувствительные компоненты микроскопического масштаба. Именно она сделала возможным изготовление плотных матриц преобразователей, работающих во всём диапазоне 1–10 МГц, — а значит, обследование тканей на любой глубине одним-единственным датчиком. МЭМС помогли уменьшить и остальные узлы, чтобы всё поместилось в ручной зонд. В связке с вычислительной мощностью смартфона это устранило потребность в громоздкой тележке.
Первые кремниевые ультразвуковые прототипы на основе МЭМС появились в середине 1990-х, когда энтузиазм вокруг новой технологии достиг пика. Ключевым элементом ранних преобразователей была колеблющаяся микрообработанная мембрана, позволявшая устройству порождать колебания примерно так же, как удар по барабану создаёт звуковые волны в воздухе.
Exo Imaging разработала ручной ультразвуковой сканер на технологии пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (PMUT). Источник изображения — spectrum.ieee.org
Сформировались две архитектуры. Первая — ёмкостный микрообработанный ультразвуковой преобразователь (CMUT), названный так за простую конденсаторную структуру. Первые версии продемонстрировали инженер-электротехник Стэнфордского университета Пьер Хури-Якуб и его коллеги.
CMUT основан на электростатических силах в конденсаторе, образованном двумя проводящими пластинами, разделёнными небольшим зазором. Одна пластина — та самая микрообработанная мембрана — выполнена из кремния или нитрида кремния с металлическим электродом. Другая, обычно микрообработанная кремниевая подложка, толще и жёстче. При подаче напряжения на мембране и подложке возникают противоположные заряды, и силы притяжения прогибают мембрану к подложке. Если добавить переменное напряжение, сила меняется, и мембрана начинает колебаться, как барабанная кожа под ударом.
Когда мембрана контактирует с телом человека, колебания уходят в ткани ультразвуковыми волнами. Сколько ультразвука будет сгенерировано или зарегистрировано, зависит от зазора между мембраной и подложкой, который должен составлять около одного микрометра или меньше. Такую точность и обеспечили методы микрообработки.
Вторая архитектура называется пьезоэлектрический микрообработанный ультразвуковой преобразователь (PMUT) и работает как уменьшенная версия пищалки в дымовом извещателе. Такие излучатели состоят из двух слоёв: тонкого металлического диска, закреплённого по периметру, и наклеенного сверху тонкого пьезоэлектрического диска меньшего диаметра. При подаче напряжения пьезоматериал меняется в толщине и в поперечнике. Поскольку боковой размер значительно больше, диаметр пьезодиска меняется заметнее и изгибает всю конструкцию. В дымовых извещателях такие структуры имеют диаметр около 4 см и издают тот самый пронзительный сигнал на частоте порядка 3 килогерц. Если же уменьшить мембрану до 100 мкм в диаметре и 5–10 мкм в толщину, колебания уходят в мегагерцевый диапазон, пригодный для медицинского ультразвука.
Первые микрообработанные датчики с пьезоэлектрическими тонкими плёнками на кремниевых диафрагмах создала Honeywell в начале 1980-х. А PMUT, работающие уже на ультразвуковых частотах, появились лишь в 1996 году — благодаря работам материаловеда Пауля Муральта из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии.
Ранние годы CMUT
Серьёзной проблемой для CMUT было создание достаточного давления, чтобы отправить звук глубоко в тело и принять возвращающееся эхо. Ход мембраны ограничивал крайне малый зазор до подложки, а это сдерживало амплитуду генерируемых волн. Попытка объединить в одном датчике матрицы CMUT разных размеров ради расширения частотного диапазона тоже била по давлению: на каждую частоту оставалось меньше полезной площади.
Butterfly Network разработала ручной ультразвуковой сканер на технологии ёмкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей (CMUT). Источник изображения — spectrum.ieee.org
Решение пришло из лаборатории Хури-Якуба в Стэнфорде. В экспериментах начала 2000-х исследователи обнаружили, что при повышении напряжения на CMUT-подобных структурах электростатические силы пересиливают восстанавливающие силы мембраны — и её центр схлопывается на подложку.
Схлопнувшаяся мембрана поначалу выглядела катастрофой, но оказалась способом сделать CMUT одновременно эффективнее и гибче по частоте. Эффективность выросла, потому что зазор вокруг области контакта стал очень мал, а напряжённость поля там — велика. Давление тоже увеличилось, поскольку широкая кольцевая область по краю сохранила приличный ход. Более того, частоту устройства теперь можно было менять простым изменением напряжения. Это, в свою очередь, позволило одному CMUT-датчику эффективно покрывать весь диапазон частот, необходимый для медицинской диагностики.
Дальше потребовалось больше десятилетия, чтобы понять и описать сложное электромеханическое поведение матриц CMUT и отладить производство. Моделирование давалось тяжело: в каждой матрице взаимодействовали тысячи отдельных мембран.
На производственной стороне сложности были в подборе материалов и в разработке процессов, дающих гладкие поверхности и стабильную толщину зазора. Например, тонкий диэлектрический слой, разделяющий проводящую мембрану и подложку, должен выдерживать около 100 вольт при толщине 1 мкм. Если в слое есть дефекты, в него начинают инжектироваться заряды, и устройство пробивает по краям или в момент касания мембраны о подложку — прибор выходит из строя или как минимум теряет характеристики.
В конце концов МЭМС-производства — такие как Philips Engineering Solutions в нидерландском Эйндховене и тайваньская TSMC в Синьчжу — нашли решения. Примерно с 2010 года эти компании начали выпускать надёжные высокопроизводительные CMUT.
Как развивались PMUT
Ранние конструкции PMUT тоже с трудом набирали давление, достаточное для медицинского ультразвука. Зато его хватало для потребительских задач вроде распознавания жестов и датчиков приближения. В таких сценариях «ультразвука в воздухе» полоса пропускания не критична, а частоты могут быть ниже 1 МГц.
В 2015 году технология неожиданно получила толчок благодаря появлению крупных двумерных матриц для сканирования отпечатков пальцев в мобильных телефонах. В первой демонстрации такого подхода исследователи Калифорнийского университета в Беркли и Дэвисе соединили около 2500 элементов PMUT с электроникой на КМОП и разместили их под слоем, похожим на силиконовую резину. При нажатии подушечкой пальца прототип измерял амплитуды отражённых сигналов на 20 МГц, отличая гребни узора от воздушных промежутков между ними.
Это была впечатляющая демонстрация интеграции PMUT и электроники на одном кремниевом кристалле, показавшая, что крупные двумерные матрицы способны выдавать частоту, достаточную для визуализации поверхностных структур. Но чтобы шагнуть в медицинский ультразвук, технологии не хватало полосы пропускания, выходного давления и более эффективных пьезоэлектрических плёнок.
Помощь пришла от полупроводниковых компаний вроде женевской ST Microelectronics, которая нашла способ интегрировать тонкие плёнки ЦТС на кремниевые мембраны. Такие плёнки требуют дополнительных технологических операций для сохранения свойств, но прирост характеристик оправдал их стоимость.
Чтобы получить большее выходное давление, пьезослой должен быть достаточно толстым и выдерживать высокие напряжения, необходимые для качественной картинки. Но рост толщины делает мембрану жёстче, а это сокращает полосу пропускания.
Одним из решений стала мембрана овальной формы, фактически объединяющая в себе несколько мембран разного размера. Аналогия здесь — изменение длины гитарных струн ради разных нот: овальная мембрана даёт «струны» нескольких длин в одной конструкции за счёт узких и широких участков. Чтобы эффективно раскачивать широкие и узкие части на разных частотах, электрические сигналы подаются на несколько электродов, размещённых над соответствующими зонами. Такой подход и позволил PMUT работать эффективно в более широком диапазоне частот.
Из лабораторий в клиники
В начале 2000-х исследователи начали выводить CMUT из лабораторий в коммерческую разработку. Стэнфордский университет породил под этот рынок несколько стартапов, а ведущие производители ультразвукового оборудования — GE, Philips, Samsung и Hitachi — занялись собственными разработками и испытаниями датчиков на CMUT.
Но по-настоящему коммерциализация сдвинулась лишь в 2011 году, когда команда с опытом в полупроводниковой электронике основала Butterfly Network. Выход IQ Probe в 2018 году стал переломным событием: это был первый ручной датчик, способный обследовать всё тело двумерной матрицей и формировать объёмные данные. Размером примерно с пульт от телевизора и лишь немногим тяжелее, он изначально стоил 1999 долларов — одну двадцатую стоимости полноразмерного аппарата на тележке.
Примерно тогда же токийская Hitachi и Kolo Medical из китайского Сучжоу (ранее располагавшаяся в Сан-Хосе) вывели на рынок CMUT-датчики для обычных ультразвуковых систем. Но по возможностям они уступают решению Butterfly: преобразователь и электроника у них не интегрированы на одном кристалле, а значит, матрицы одномерные, а не двумерные. Это ограничивает построение трёхмерных изображений, необходимых в продвинутой диагностике — например, при определении объёма мочевого пузыря или при одновременном просмотре ортогональных сечений сердца.
Запуск ручного зонда Exo Iris в сентябре 2023 года стал коммерческим дебютом PMUT в медицинском ультразвуке. Разработанный командой с опытом в полупроводниковой электронике и интеграции, Exo Iris примерно совпадает по размеру и весу с IQ Probe. Его цена в 3500 долларов сопоставима со свежей моделью Butterfly — IQ+ за 2999 долларов.
Ультразвуковые МЭМС-кристаллы в этих зондах размером 2 × 3 см — одни из крупнейших кремниевых чипов, сочетающих электромеханические и электронные функции. Габариты и сложность создают производственные трудности с точки зрения однородности приборов и процента выхода годных.
Эти ручные устройства потребляют мало энергии, поэтому аккумулятор зонда лёгкий, держит несколько часов непрерывной работы при подключении к телефону или планшету и быстро заряжается. Чтобы выходные данные были совместимы со смартфонами и планшетами, основной чип зонда выполняет оцифровку, часть обработки сигнала и кодирование.
Для получения объёмной информации такие зонды снимают несколько двумерных срезов анатомии, а затем восстанавливают из них трёхмерные данные средствами машинного обучения. Встроенные алгоритмы также помогают врачам и медсёстрам точно устанавливать иглу в нужное место — например, в сложных сосудах или в тканях при биопсии.
Качество этих алгоритмов таково, что портативным зондом, возможно, смогут пользоваться специалисты без ультразвуковой подготовки — скажем, акушерки, — определяя срок беременности с точностью, сопоставимой с работой обученного сонографа: такие данные приводило исследование 2022 года в NEJM Evidence. Функции на основе ИИ способны сделать ручные зонды полезными и в неотложной медицине, и в регионах с ограниченными ресурсами, и при обучении студентов-медиков.
Это только начало
Для миниатюрного ультразвука всё лишь начинается. Несколько крупнейших полупроводниковых производств мира, включая TSMC и ST Microelectronics, уже выпускают ультразвуковые МЭМС-кристаллы — на пластинах диаметром 300 и 200 мм соответственно.
Более того, ST Microelectronics недавно создала в Сингапуре специализированную площадку Lab-in-Fab для тонкоплёночных пьезоэлектрических МЭМС, чтобы ускорить переход от концепций к серийному выпуску. Philips Engineering Solutions предлагает изготовление CMUT для интеграции по схеме CMUT-на-КМОП, а французская Vermon из Тура — коммерческое проектирование и производство CMUT. Это значит, что стартапы и академические группы получили доступ к базовым технологиям, открывающим новый уровень инноваций и стоящим заметно дешевле, чем десять лет назад.
На фоне такой активности отраслевые аналитики ожидают, что ультразвуковые МЭМС-кристаллы будут встраиваться в самые разные медицинские приборы для визуализации и измерений. Butterfly Network совместно с Forest Neurotech разрабатывает МЭМС-ультразвук для интерфейсов «мозг — компьютер» и нейромодуляции. Среди других направлений — носимые устройства долговременного мониторинга с низким энергопотреблением: приборы наблюдения за сердцем, лёгкими и мозгом, а также мониторы мышечной активности для реабилитации.
В ближайшие пять лет стоит ожидать появления миниатюрных пассивных медицинских имплантатов с ультразвуковыми МЭМС-кристаллами, где и питание, и данные передаются дистанционно ультразвуковыми волнами. Со временем ручные зонды или носимые матрицы смогут не только визуализировать анатомию, но и считывать жизненные показатели — например, изменения внутреннего давления из-за роста опухоли или насыщение глубоких тканей кислородом после операции. А датчики, устроенные по принципу ультразвукового сканера отпечатков, однажды начнут измерять кровоток и частоту сердечных сокращений.
Наконец, для стран СНГ у миниатюризации есть отдельное измерение. Аппарат стоимостью в две-три тысячи долларов вместо сорока меняет саму экономику диагностики: такой зонд реально поставить в сельскую амбулаторию, в машину скорой помощи или в кабинет врача общей практики, где полноразмерная система никогда не появится. Именно на этом уровне доступности, а не на прибавке в разрешении, и лежит основной эффект технологии.
